基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电气行业，尤其是基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统及 方法，用于降低变电站中传感器节点的能耗，提高传感器节点抗噪声性能。
【背景技术】
[0002] 近年来无线通信技术、嵌入式技术和传感器技术的发展，促进了无线传感器在军 事监测和工业生产中广泛应用。变电站中各类设备复杂，运行环境危险，不适合人工巡检。 而无线传感器具有体积小、适应性强的特点。为获取各类设备的工作状态，通常利用无线传 感器对变电设备进行在线监测，实时记录其运行参数。
[0003] 在变电站中，通常将传感器安装在变电设备上，通过传感器实时采集设备运行参 数，然后将数据传输给站级监控处理系统，最后通过光纤网络传输给最终的监测系统。而无 线传感器在传输参数时会直接发送给站级处理系统，所有的节点都采用运种方式时会造成 各个节点能量消耗较快，节点工作时间短。
[0004] 目前变电站传感器节点的工作过程存在W下缺点： 阳0化]1.变电站中变电设备传感器节点直接发送到监控系统传输距离远，能耗大，工作 时间短；
[0006] 2.变电站内大部分设备具有金属壳，无线电信号特有的趋肤效应会在传输过程 中大幅衰减，后续不能达到工作要求；变电站内有电晕等各类噪声，严重影响信号的传输质 量；
[0007] 3.多个传感器节点同时发送信息时易形成码间串扰，且信号远距离传输质量差， 数据易丢失；
[0008] 4.变电设备传感器各节点能量消耗不均衡，工作时间不一，不利于统一管理更换。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的就是为了解决上述传感器能耗高和信号传输质量差问题，提供一种 基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统及方法，它具有在变电站内传感器节点通 过分布式自举算法进行组网，能够显著减少传感器的能量消耗，均衡各节点的能量消耗，延 长网络整体工作时间的优点。
[0010] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] 基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统，包括：若干状态信息采集传感 器普通节点，状态信息采集传感器普通节点通过本身的分布式自举算法决定是否能被选为 簇首节点，选出簇首节点后，状态信息采集传感器普通节点将采集到的设备状态信息上传 给设备状态信息采集传感器簇首节点，设备状态信息采集传感器簇首节点将接收到的设备 状态信息融合处理后发送给变电设备监控系统，变电设备监控系统将收集到的设备状态信 息发送给变电站子系统，变电站子系统将设备状态信息发送给外界监控系统服务器。
[0012] 所述变电站子站系统处于组网后系统的最高层，与变电设备监控系统通讯，接收 变电设备监控系统整理后发送来的设备状态信息，同时也向变电设备监控系统发送命令信 息，控制监控系统的工作方式；
[0013] 所述变电设备监控系统处于组网后系统的第二层；变电设备监控系统接收设备状 态信息采集传感器簇首节点发送的状态信息，在接收多个设备状态信息采集传感器簇首节 点发送的状态信息后，进行统一整理，然后发送给上级变电站子系统；同时变电设备监控系 统接收上级变电站子系统的指令，并向设备状态信息采集传感器簇首节点下发指令控制状 态信息采集传感器普通节点的工作方式；
[0014] 所述设备状态信息采集传感器簇首节点位于组网后系统的第=层，设备状态信息 采集传感器簇首节点接收设定距离内状态信息采集传感器普通节点采集的设备状态信息， 并进行融合处理后发送给上级变电设备监控系统；同时也接收上级变电设备监控系统的指 令，并将其发送给设定距离内的状态信息采集传感器普通节点W控制设备状态信息采集传 感器簇首节点自身和状态信息采集传感器普通节点的工作方式；
[0015] 所述状态信息采集传感器普通节点位于组网后系统的第四层，状态信息采集传感 器普通节点采用将采集到的设备信息发送给设备状态信息采集传感器簇首节点，同时能够 接收设备状态信息采集传感器簇首节点发送的指令，根据指令完成工作。
[0016] 所述变电站子系统通过光纤或总线的方式与变电设备监控系统通讯。
[0017] 变电设备监控系统通过无线方式接收状态信息采集传感器簇首节点发送的状态 信息。
[0018] 设备状态信息采集传感器簇首节点采用无线方式接收设定距离内状态信息采集 传感器普通节点采集的设备状态信息。
[0019] 所述状态信息采集传感器普通节点采用无线的方式通讯，将采集到溫度、湿度和 色谱等信息量发送给设备状态信息采集传感器簇首节点。
[0020] 变电站子站系统通过光纤或无线方式与外界监控系统服务器通讯，将该变电站下 的设备状态信息发送给外界监控系统服务器，外界监控系统服务器实时处理状态信息并通 过设定的方式进行展示；同时外界监控系统服务器下达指令要求变电站子站系统完成相应 工作。
[0021] 基于分布式自举算法的变电设备传感器组网方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤（1):在组网阶段，首先进行设备状态信息采集传感器簇首节点选举，状态信 息采集传感器普通节点通过本身的分布式自举算法决定是否能被选为簇首节点，选举出的 设备状态信息采集传感器簇首节点广播声明消息，其余的状态信息采集传感器普通节点进 行入网申请，申请成功后状态信息采集传感器普通节点成为簇内成员节点，设备状态信息 采集传感器簇首节点为簇内的成员节点分配工作时隙；
[0023] 步骤（2):稳定工作阶段，各个成员节点在簇首节点分配的工作时隙内，按TDM机 制通过直接序列扩频DSSS方式给簇首节点发送信息，成员节点根据簇首节点位置调整发 射功率降低通信干扰，同时减少能量消耗。簇首节点W直接序列扩频的方式将融合后的信 息发送到变电设备监控系统；变电设备监控系统将收集到的设备状态信息发送给变电站子 系统，变电站子系统将设备状态信息发送给外界监控系统服务器；
[0024] 步骤（3):本轮工作结束，开始下一轮工作过程。
[00巧]所述步骤（1)中的组网阶段，物理层通信方式均采用非坚持CSMA协议；
[00%] 所述步骤（I)的组网阶段是W簇为单位的，每个簇内的节点分为簇首节点和成员 节点。簇首节点的工作是组织簇结构，接收成员节点采集到的信息，将信息融合后再发送给 变电设备监控系统；成员节点任务是采集信息并将信息发送给簇首节点。
[0027]所述步骤（1)分布式自举算法：
[0028] 状态信息采集传感器普通节点产生一个随机数与一个设定的口限值比较；
[0029] 即每个状态信息采集传感器普通节点产生一个0到1的随机数，然后随机数与口 限值T(n)比较，如果小于T(n)，则该状态信息采集传感器普通节点就成为簇首节点，簇首 节点将成为簇首节点的信息广播给周围设定距离内的状态信息采集传感器普通节点。
[0030] 所述口限值T(n)由式（1)决定：
(1)
[0032] 其中
k表示网络中簇首节点数目，n表示节点总数，P表示簇首占节点总 数的比例；r表示当前的轮数，G表示最近1/P轮没有成为簇首的节点集合。
[0033] 状态信息采集传感器普通节点在成为簇首节点后，采用非坚持CSM协议接入无 线信道。
[0034] 所述声明消息包括簇首节点编号、表示消息类型的头部和其它簇首信息。
[0035]状态信息采集传感器普通节点在收到多个簇首节点广播的声明消息后，由接收到 信号的强度大小判断距离簇首节点的远近，选择距离近的簇加入。在选择簇首节点后通过 非坚持CSM协议接入信道，并向选定的簇首节点发送请求加入消息W加入簇，成为簇内成 员节点。请求加入消息包括簇首节点编号和自身节点编号。 阳036] 簇首节点为每个申请加入簇的成员节点分配一个工作时隙，通过非坚持CSMA协 议接入信道，并将时隙信息W广播的方式通知所有成员节点。
[0037] 成员节点接收到工作时隙后开始工作，即成员节点获得分配的工作时隙，标志着 组